Biomanipuleret enzym skaber naturlig vanillin fra planter i ét trin

Vaniljeekstrakt er en af ​​de mest udbredte smagsstoffer i fødevarer og kosmetik. Den behagelige og søde duft af denne klassiske smag formidles af den kemiske forbindelse "vanillin", der findes i frøstandene af vaniljeplanter, der tilhører orkidéfamilien. I planter syntetiseres vanillin ved omdannelsen af ​​ferulinsyre af enzymet - VpVAN. Laboratoriebiosyntese af vanillin fra plante-afledt VpVAN giver imidlertid kun meget små mængder vanillin og er derfor kommercielt upraktisk.

Desuden, selvom kemisk fremstillede vaniljeessenser er tilgængelige billigt, matcher de ikke smagen af ​​naturlig vaniljeekstrakt, og efterspørgslen efter sidstnævnte er fortsat høj. Derudover har klimatiske restriktioner for dyrkning af vaniljeplanter, og det relativt lille udbytte opnået pr. plante, ført til et svindende udbud og en stigning i prisen på naturlig vaniljeekstrakt.

For at løse disse udfordringer udviklede professor Toshiki Furuya fra Institut for Anvendt Biologisk Videnskab, Fakultet for Naturvidenskab og Teknologi, Tokyo University of Science, og hans kandidatstuderende Shizuka Fujimaki og Satsuki Sakamoto med succes et enzym, der genererer vanillin fra planteafledt ferulinsyre.

"Ferulinsyre, råmaterialet, er en forbindelse, som kan fås i rigelige mængder fra landbrugsaffald som risklid og hvedeklid. Vanillin dannes blot ved at blande ferulinsyre med det udviklede enzym ved stuetemperatur. Så den etablerede teknologi kan give en enkel og miljøvenlig metode til fremstilling af smagsstoffer," forklarer prof. Furuya. Deres undersøgelse blev offentliggjort den 10. maj 2024 i Applied and Environmental Microbiology .

Forskerne brugte genteknologiske tilgange til at ændre den molekylære struktur af et enzym - "Ado." Ado er oprindeligt et oxidaseenzym, der tilføjer et oxygenatom til substratet - isoeugenol.

I sin oprindelige tilstand har den ikke evnen til at omdanne ferulinsyre til vanillin. Ved hjælp af strukturel modelleringsanalyse var forskerne i stand til at forudsige aminosyreændringer i Ado, som ville muliggøre dets interaktion med ferulinsyre.

På disse linjer udførte de en række eksperimenter ved at erstatte phenylalanin- og valinaminosyrerester på specifikke positioner i strukturen af ​​Ado med forskellige andre aminosyrer. De fortsatte med at undersøge ferulinsyreomdannelsesevnen hos de forskellige manipulerede mutante proteiner.

Efter adskillige forsøg og fejl fandt de, at et mutantprotein, hvor kun tre specifikke phenylalanin- og valinrester blev erstattet med tyrosin og arginin, reagerede stabilt med ferulinsyre og udviste høj omdannelsesaktivitet. Især krævede det konstruerede enzym ingen cofaktorer til omdannelse, i modsætning til andre oxidaser, og producerede vanillin i gramskala pr. liter reaktionsopløsning med en højere katalytisk effektivitet og affinitet end vildtype-enzymets.

Reaktionen krævede kun blanding af enzymet, ferulinsyre og luft (molekylær oxygen) ved stuetemperatur, hvilket gør det til en enkel, bæredygtig og økonomisk skalerbar proces. Ydermere udviste det molekylært udviklede enzym også omdannelsesaktivitet mod p-cumarsyre og sinapinsyre, som er forbindelser opnået ved nedbrydning af lignin - et almindeligt landbrugsaffaldsprodukt.

Indtil videre har ingen mikrobielle eller plante-afledte enzymer udvist evnen til at omdanne ferulinsyre til vanillin i industriel skala. Derfor viser enzymet udviklet i den aktuelle undersøgelse et betydeligt potentiale for at muliggøre kommerciel og økonomisk levedygtig produktion af naturligt vanillin.

Prof. Furuya forklarer de langsigtede implikationer af deres forskning:"At udnytte potentialet af mikroorganismer og enzymer til at udlede værdifulde forbindelser under milde forhold fra vedvarende plantebaserede ressourcer, tilbyder en bæredygtig tilgang til at minimere det miljømæssige fodaftryk.

"I øjeblikket, i samarbejde med en virksomhed, fokuserer vores forskningsbestræbelser på at opnå den virkelige implementering af vanillinproduktion gennem brugen af ​​det nyudviklede enzym."

Flere oplysninger: Shizuka Fujimaki et al., Engineering en coenzym-uafhængig dioxygenase til et-trins produktion af vanillin fra ferulinsyre, Anvendt og miljømæssig mikrobiologi (2024). DOI:10.1128/aem.00233-24

Journaloplysninger: Anvendt og miljømæssig mikrobiologi

Leveret af Tokyo University of Science